代萬慶，盧守卿，李長美，韓明耀

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)勘查院，河南南陽 473000)

桐柏老灣金礦上上河礦區(qū)金剛石鉆進“打滑”地層所遇問題及對策

代萬慶，盧守卿，李長美，韓明耀

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)勘查院，河南南陽 473000)

通過桐柏老灣金礦上上河礦區(qū)“打滑”地層的施工，介紹了試驗性生產(chǎn)及室內(nèi)金剛石鉆頭的優(yōu)化選擇試驗，總結(jié)了鉆進“打滑”地層所遇到的問題以及所采取的相應的技術(shù)措施。

金剛石鉆進;“打滑”地層;孕鑲金剛石鉆頭;鉆頭優(yōu)化選擇

1 工程概況

桐柏老灣金礦上上河礦區(qū)位于河南省桐柏縣城西北約20 km，隸屬于桐柏縣鴻儀河鄉(xiāng)管轄。

礦區(qū)地層為巖漿巖區(qū)，上部主要為花崗巖，厚度大致10～40 m，穿過上部花崗巖巖層后，下部為硅化帶、石英脈、細?；◢弾r相互交替地層，巖性界線不清。下部巖層交替區(qū)的巖石硬度達到九級，可鉆性為9～10級，研磨性中～弱，對鉆探工程而言，是明顯的“打滑”地層。礦化帶主要為構(gòu)造、風化破碎帶，巖石松散、破碎，屬典型的“硬、脆、碎、漏”地層。

施工鉆孔全部為直孔，孔深141～650 m不等，終孔巖心直徑≮53 mm，孔斜≯1°/100 m，礦心采取率≮85%。選用施工設(shè)備為XY－4型巖心鉆機，配BW250/50A型三缸單作用柱塞泥漿泵。

2 施工概況及所遇問題

針對礦區(qū)的地層，我們首先開展了試驗性生產(chǎn)，對金剛石鉆頭的型號及類型進行選擇。根據(jù)以往的施工經(jīng)驗，首先選擇了胎體硬度為HRC30～35的孕鑲金剛石鉆頭進行試驗，鉆頭在上部純花崗巖巖體鉆進，效果比較理想，最高小時效率＞4 m，用高倍放大鏡觀察鉆頭使用后的底唇面，發(fā)現(xiàn)金剛石被蝌蚪樣胎體所支撐，情況十分理想;但是當鉆頭繼續(xù)往下部鉆進，進入硅化帶、石英脈、細?；◢弾r交替巖層即“打滑”地層時，鉆速卻持續(xù)下降，施工12 m“打滑”地層后，進尺基本降為零。起出鉆頭后，發(fā)現(xiàn)鉆頭底唇面被磨光、刨平，金剛石晶形棱角也被磨平。

顯然，針對“打滑”地層，還需要進一步重新優(yōu)化選擇金剛石鉆頭。

3 “打滑”地層鉆頭的優(yōu)化選擇試驗

3.1 金剛石鉆頭優(yōu)化選擇的依據(jù)

金剛石鉆進的優(yōu)點是鉆頭有效壽命較長，配合繩索取心工藝，在生產(chǎn)中可以減少起大鉆次數(shù)，進而使純鉆時間、機械鉆速、小時效率等大幅提高，最終達到較好的經(jīng)濟效益。所以，鉆頭的有效使用壽命和有效克取巖石的效率，是優(yōu)化選擇金剛石鉆頭的首要考慮依據(jù)。表鑲金剛石鉆頭成本較高，原則上不考慮采用，把孕鑲金剛石鉆頭的優(yōu)化選擇作為重點。

選擇孕鑲金剛石鉆頭重點考慮胎體的強度和硬度。鉆頭胎體強度和硬度偏低，則不能滿足生產(chǎn)中克取巖石的壓力和沖擊力，容易龜裂或蹦口，導致鉆頭報廢。胎體的過快磨損，也使得金剛石在沒有被充分利用的情況下就由胎體上脫落下來，不能取得鉆進效益。但如果鉆頭胎體強度和硬度太大，則鉆進中鉆頭胎體被磨蝕的較慢，金剛石幾乎不能自銳出刃，鉆頭底唇與地層巖石對磨光亮、光滑，即出現(xiàn)打滑情況，鉆頭也不可能有效克取巖石，取得進尺。

3.2 孕鑲金剛石鉆頭優(yōu)化選型試驗

進行鉆頭選型試驗的目的，是探索適用于礦區(qū)硅質(zhì)巖、石英脈和細粒花崗巖交替區(qū)“打滑”地層鉆探的金剛石鉆頭類型，找到相對適用于礦區(qū)“打滑”地層的廣譜型金剛石鉆頭。

針對礦區(qū)試驗生產(chǎn)的情況，首先優(yōu)化鉆頭的胎體強度和硬度，其他參數(shù)再進一步選擇，最終確定最理想的鉆頭型號。我們以長期合作的一家供應商的鉆頭為主，最初試驗鉆頭型號參數(shù)如下:鉆頭規(guī)格φ76 mm，水口12個，金剛石濃度100%，金剛石粒度60～80目，胎體硬度HRC30～35及其以下6個等級，共12個鉆頭，針對硅質(zhì)巖、石英脈及細粒花崗巖“打滑”地層，作室內(nèi)選型試驗，結(jié)果見表1。

表1 金剛石鉆頭室內(nèi)選型試驗數(shù)據(jù)表

依據(jù)鉆頭底唇被磨情況及鉆頭鉆進效率，胎體硬度為HRC20～25的同心尖齒金剛石鉆頭，較為適宜礦區(qū)“打滑”地層的鉆進施工生產(chǎn)。

4 “打滑”地層金剛石鉆進存在的問題

4.1 鉆頭胎體與巖石硬度、研磨性的配合問題

金剛石鉆頭胎體底唇外形對鉆進影響很大。在硅化巖、石英脈及細?；◢弾r等“打滑”地層中，胎體硬度為HRC18～22的鉆頭，底唇為平底形式的，在生產(chǎn)中金剛石出刃較快，胎體易龜裂、掉塊，不能滿足要求。將胎體硬度增至HRC25～30，底唇為平底形式的，金剛石自銳出刃緩慢，進尺也很緩慢;底唇外形為同心尖齒形的，鉆進約11 m后就基本停滯，用顯微鏡觀察鉆頭底唇，發(fā)現(xiàn)鉆頭底部的胎體強度較高，磨蝕輕微，致使金剛石不能自銳出刃，所以，也不能滿足生產(chǎn)需要。用胎體硬度為HRC20～25平底形式的鉆頭，胎體能夠自銳出刃，但是進尺緩慢;用相同胎體硬度的同心尖齒鉆頭，鉆進效率較高且比較平穩(wěn)，鉆頭基本能自銳鉆進至鉆頭接近報廢。

金剛石鉆頭胎體強度，必須與巖石、沖洗液的研磨性相匹配。在“打滑”地層中用尖齒同心金剛石鉆頭鉆進，鉆頭克取巖石的顆粒相對較粗，含有粗顆粒巖屑的沖洗液對鉆頭胎體的沖蝕作用也比較強，鉆頭的自銳能力就較強。但是尖齒同心鉆頭胎體的尖部強度比較弱，容易折裂崩刃;其次，鉆頭胎體的尖齒尖部，由于受沖洗液的沖蝕較弱，所以金剛石的自銳能力較弱，齒尖附近較為光滑，胎體往往被壓裂導致金剛石脫落，胎體凹痕很多。

在中粗?；◢弾r中鉆進，胎體硬度為HRC30～35底唇為圓弧形金剛石鉆頭鉆進效率較為理想，金剛石出刃情況良好，用手觸摸鉆頭底唇較為粗糙，用放大鏡觀察，能清晰看出底唇上金剛石被蝌蚪狀胎體支撐。這就證明該鉆頭的胎體硬度是比較適用于所鉆進巖石的。

4.2 金剛石鉆頭的質(zhì)量問題

金剛石鉆頭的質(zhì)量問題主要有2個方面。

一是在鉆頭胎體不能被持續(xù)磨蝕的情況下，金剛石不能持續(xù)的陸續(xù)出刃，僅僅依靠一層金剛石來克取“打滑”地石，是不現(xiàn)實的。用胎體硬度為HRC30～35的金剛石鉆頭，在鉆孔上部已經(jīng)磨出刃，鉆入“打滑”地層后，僅僅能進尺11 m左右，就基本開始打滑，不能取得進尺。用手撫摸鉆頭胎體的底唇，非常光滑。這就說明金剛石的強度不足以持續(xù)克取“打滑”硬巖石，也就是說該金剛石鉆頭不能滿足持續(xù)克取礦區(qū)“打滑”地層的能力。

二是鉆頭底唇尖齒尖部經(jīng)常發(fā)生金剛石脫落或胎體崩裂斷口的情況。同心尖齒金剛石鉆頭鉆進“打滑”地層時，由于鉆頭尖齒部分的胎體不能被持續(xù)研磨、磨蝕，使鉆頭尖齒部分的金剛石不能出刃克取巖石，當尖齒根部的胎體被持續(xù)磨蝕后，鉆頭尖齒部分的胎體與鉆頭的連結(jié)就相對薄弱，金剛石崩落和胎體斷裂就很容易發(fā)生。

4.3 “打滑”地層鉆進巖粉沖蝕的問題

硅質(zhì)巖、石英脈及細?；◢弾r等“打滑”地層的硬度較高，可鉆性較高，金剛石鉆進克取巖石比較緩慢，沖洗液內(nèi)的巖粉含量比較低，沖洗液對鉆頭胎體的沖蝕能力就較低，直接導致金剛石鉆頭的自銳能力低下，胎體內(nèi)的金剛石難以出刃，鉆頭也就無從克取巖石，取得進尺。就工區(qū)的施工情況而言，胎體硬度為HRC20～25的同心尖齒鉆頭，經(jīng)正常初磨后，鉆進“打滑”地層能獲得較高的鉆進效率。胎體硬度為HRC25～30的鉆頭由于胎體硬度較高，在初始短暫的高鉆速后，鉆速逐漸下降，甚至會出現(xiàn)鉆速為零的打滑現(xiàn)象。提出胎體硬度為HRC25～30的鉆頭觀察，發(fā)現(xiàn)鉆頭底唇的磨損情況很不均勻，鉆頭內(nèi)徑處胎體磨損輕微，鉆頭胎體外圈卻磨損正常，金剛石出刃良好，自銳能力較強。這也進一步說明了鉆頭的自銳能力與沖洗液關(guān)系密切，鉆頭內(nèi)緣金剛石克取巖石后，巖粉被沖洗液沖到鉆頭胎體的外緣，所以，在鉆頭克取巖石的工作狀態(tài)下，鉆頭內(nèi)緣處的沖洗液巖粉含量比鉆頭外緣處的高得多，造成金剛石胎體的內(nèi)緣比外緣磨損要輕微得多，鉆頭外緣的胎體磨損就快，出刃好，自銳能力強。

4.4 金剛石鉆頭的級配、金剛石鉆頭與擴孔器外徑的級配問題

在胎體硬度為HRC25～30的金剛石鉆頭初始鉆進試驗時，初磨3.5 h后，仍然不能進尺，并且鉆機阻卡嚴重，電機電流增大，起出鉆頭后，發(fā)現(xiàn)鉆頭外緣、外側(cè)有磨損現(xiàn)象，底唇?jīng)]有磨損痕跡，測量鉆頭外徑，發(fā)現(xiàn)其標注外徑比實際外徑小0.58 mm左右，也就是鉆頭外徑與上一級的尺寸級配不合理，致使鉆頭無法到達孔底工作。所以，在每次換新鉆頭入孔工作時，不僅要看鉆頭標注尺寸，更應該用游標卡尺仔細測量，作好記錄使鉆頭級配合理。

同樣的情況，在另一次初始鉆進試驗時，初磨近4 h后，加壓鉆進，鉆頭仍舊不能進尺，而且也出現(xiàn)鉆機阻卡現(xiàn)象，起出鉆頭后，發(fā)現(xiàn)擴孔器胎體下端有與巖層對磨的臺階痕跡，經(jīng)測量擴孔器外徑，發(fā)現(xiàn)下入孔內(nèi)的擴孔器外徑太大，擴孔器尺寸與鉆頭尺寸級配不合理，導致施工鉆進時鉆壓大部分損失在擴孔器與巖石的對磨上。

5 針對“打滑”地層金剛石鉆進的技術(shù)措施

5.1 針對金剛石鉆頭胎體的措施

根據(jù)前期的施工試驗及鉆頭選型試驗，優(yōu)化選擇出最好的金剛石鉆頭類型。該礦區(qū)在鉆孔上部純花崗巖地層，采用胎體硬度為HRC30～35的圓弧底唇孕鑲金剛石鉆頭鉆進，能獲得較好的鉆進效率;在硅質(zhì)巖、石英脈及細?；◢弾r等混合巖層，即“打滑”地層，采用胎體硬度為HRC20～25的同心尖齒形孕鑲金剛石鉆頭鉆進，能獲得較為理想的鉆進效率。為改善鉆頭胎體尖齒的強度問題，將12個尖齒改為10個尖齒，使用效果則更好。

5.2 利用化學方法使鉆頭自銳

在市場上采購質(zhì)量純正的濃鹽酸和濃硝酸，按照1∶1的比例配置新鮮的“王水”，將新的孕鑲金剛石鉆頭的胎體底面侵入“王水”中，預泡20 min即可使金剛石出露?！巴跛鳖A泡過的金剛石鉆頭，用手觸摸底唇部，能明顯感覺到金剛石的出露，但是金剛石雖然出露，卻缺乏胎體的后支撐保護，即未形成“蝌蚪”狀胎體支撐，所以，在鉆頭初次入孔使用時，操作需特別細致，入孔要慢，快到孔底時，應緩慢下放，杜絕蹾放沖擊，初磨時，采取Ⅰ擋轉(zhuǎn)速緩慢回轉(zhuǎn)，鉆壓也降至正常鉆壓的1/3即2.5 kN左右，泵量用泥漿泵的最低泵量即52 L/min。初磨2 h左右，待鉆進效率達到0.7 m/h時，不改變轉(zhuǎn)速、泵量，把鉆壓增至7.5 kN的正常鉆壓鉆進2 m左右，在鉆速平穩(wěn)均勻的情況下，逐漸提高轉(zhuǎn)速、泵量至正常鉆進水平。在鉆壓、泵量合理的情況下，金剛石若能正常自銳出刃，轉(zhuǎn)速和鉆速之間存在一定的比例關(guān)系，鉆機用Ⅳ擋(340 r/min)時，鉆速一般在1.4～2.1 m/h之間，轉(zhuǎn)速提至Ⅵ擋(500 r/min)時，鉆速可達2.3～3.1 m/h，若轉(zhuǎn)速提至Ⅶ擋(710 r/min)時，鉆速基本超過3.3 m/h。在轉(zhuǎn)速調(diào)高至Ⅶ擋后，為了鉆進的平穩(wěn)安全，一般調(diào)整鉆壓，使得鉆速≯3 m/h。

5.3 使孕鑲金剛石鉆頭自銳出刃的物理方法

金剛石鉆頭在“打滑”地層鉆進，不能取得進尺的原因，主要是地層巖石硬度較高，研磨性低，單位時間被克取的巖粉較少，沖洗液中巖粉含量低，沖洗液的沖蝕性較低，致使鉆頭胎體的磨蝕輕微，鉆頭自銳狀況較差，金剛石不能自銳，因而難以克取巖石。所以，將質(zhì)地堅硬的石英砂粉碎至直徑為0.5～1.0 mm的顆粒，每一回次在投入取心內(nèi)管之前，往鉆桿內(nèi)投入石英砂顆粒，投砂量控制在填入孔底0.3～0.5 m高度，使石英砂研磨鉆頭胎體，促進金剛石出刃。采用低擋轉(zhuǎn)速、小泵量、高鉆壓進行研磨，間隔2～3 min將鉆具上下往復竄動3～5次。然后，按照酸泡法以后的金剛石鉆頭使用方法進行后續(xù)操作鉆進即可。

另一種簡便易行的方法是在鉆孔上部的巖層中鉆進，使用胎體硬度為HRC30～35的金剛石鉆頭自銳出刃情況良好，由于鉆孔上部鉆孔較淺，起大鉆所需時間較少，在新的鉆頭下入孔內(nèi)鉆進5 m左右，金剛石自銳出刃完全后，起出鉆頭，換另一新鉆頭下入孔內(nèi)重新研磨出刃，如此儲備出刃良好的金剛石鉆頭，備用于“打滑”地層的鉆進。

在硅化巖、石英脈及細?；◢弾r等“打滑”地層中鉆進，有時也存在局部夾有風化薄層的情況。操作者要仔細觀察機械鉆速的變化，對孔底巖石的軟硬情況作出判斷，利用軟巖層研磨鉆頭的胎體，使鉆頭自銳出刃，鉆進軟巖下部的“打滑”巖層。

5.4 重視金剛石鉆頭、擴孔器的級配關(guān)系與質(zhì)量

在施工中，首先估算全孔施工所需鉆頭數(shù)量，按內(nèi)、外徑尺寸分組，排隊使用，先用外徑大內(nèi)徑小的，下入鉆頭與前一回次鉆頭直徑之差≯0.05 mm。

在堅硬巖石中鉆進，擴孔器外徑要比與之匹配使用的金剛石鉆頭外徑大0.15～0.3 mm，效果較為理想。每個擴孔器配用3個鉆頭即及時更換新的。擴孔器也依據(jù)鉆頭型號，選匹配型號排隊使用。

選擇擴孔器的種類時，聚晶保徑的電鍍擴孔器效果較好。

5.5 施工操作措施

在施工中，鉆機操作也十分重要，鉆進中，發(fā)現(xiàn)打滑情況，采用以下措施，盡量在不起大鉆的情況下解決問題，取得進尺，提高純鉆時間和鉆進效率:(1)適當加大鉆壓迫鉆進尺，迫使鉆頭胎體磨損，金剛石出露，待鉆進情況正常后立即把鉆壓恢復正常;(2)減小泵量，借孔底殘留巖粉加速鉆頭胎體磨損，使金剛石出刃;(3)短時間慢轉(zhuǎn)干鉆，使鉆頭自磨出刃;(4)特別情況下，在沖洗液里加入巖粉等摩擦劑，加速鉆頭胎體磨損使金剛石出刃。

如果以上辦法處理無效，便立即提鉆至地面采取其他措施解決處理。

6 經(jīng)驗體會

6.1 金剛石鉆頭類型的選擇

選擇金剛石鉆頭的類型，主要考慮兩方面的因素，一是成本，二是適用性。對于硬度比較大，可鉆性比較高的“打滑”地層，孕鑲鉆頭比表鑲鉆頭在成本上要低很多，成本核算比較劃算;孕鑲鉆頭在胎體硬度選擇合理的情況下，金剛石能夠自銳出刃，持續(xù)鉆進，鉆頭總進尺較為理想，降低了起大鉆的次數(shù)，提高了純鉆進時間和時效，效果要比表鑲金剛石鉆頭好。

6.2 金剛石鉆頭的生產(chǎn)質(zhì)量

金剛石鉆頭的生產(chǎn)質(zhì)量區(qū)別較大，不同廠家生產(chǎn)的鉆頭，其質(zhì)量良莠不齊，鉆頭總進尺相差較大，甚至能達到2～3倍的差距。所以，選擇購置金剛石鉆頭時，應該選擇經(jīng)過施工實踐檢驗的品牌。

6.3 金剛石鉆進的鉆具級配

在金剛石鉆進中，一定要重視鉆具的型號規(guī)格級匹問題。在鉆進回次倒換金剛石鉆頭和擴孔器時，一定要選擇好鉆頭、擴孔器的外徑尺寸，最好用游標卡尺進行實時現(xiàn)場測量，記錄后下入孔內(nèi)，保證所選擇的鉆頭順序、擴孔器規(guī)格順序合理，使后續(xù)鉆進施工能安全順利進行，防止由于后續(xù)鉆頭或擴孔器外徑過大，而出現(xiàn)卡鉆或燒鉆等事故，耽誤工期。

一般情況，后續(xù)鉆頭外徑要比前一鉆頭外徑小0.15～0.3 mm，擴孔器則比與其配合的鉆頭外徑大0.15～0.3 mm。

6.4 鉆具配合與鉆壓損失

由于繩索取心鉆具的緊密結(jié)構(gòu)配合，加之鉆進的高轉(zhuǎn)速考慮，采取鉆桿與孔徑的小間隙配合，造成金剛石繩索取心鉆進的水泵水頭損失是比較大的。

本礦區(qū)采用ZN－75S型繩索取心鉆具，鉆桿外徑為71 mm，金剛石鉆頭外徑為75 mm，鉆桿與鉆孔的環(huán)狀間隙約為2 mm多。在生產(chǎn)過程中，繩索取心鉆進鉆具內(nèi)外巖心管之間及鉆頭與孔底之間的泵壓損失為0.5～0.8 MPa。當孔深為300 m時，泵量為52 L/min時，總泵壓約為2 MPa，泵量為90 L/min時，總泵壓約為3 MPa。當孔深在100 m以內(nèi)時，由于鉆具質(zhì)量較輕，正常鉆進的泵壓甚至可以把鉆具“頂”起來，必須要較大的鉆壓把鉆具壓下去。在每次倒桿時，孔內(nèi)的繩索取心鉆具都往上竄，因此，必須把泥漿泵卸壓后才能倒桿。

因此，建議在繩索取心鉆進中適當增大金剛石鉆頭的外徑，以增大鉆桿與鉆孔的環(huán)狀間隙，降低泵壓損失。ZN－75S型繩索取心鉆具鉆進時，選取外徑為77 mm的繩索取心鉆頭，效果相對好得多。

6.5 做好生產(chǎn)技能培訓和操作規(guī)范制定

金剛石繩索取心鉆進是一項高效、工作復雜、細致的施工工藝，對操作者的技術(shù)素質(zhì)要求較高。正確的操作和及時、冷靜的判斷處理才能取得理想的施工結(jié)果。因此，在日常工作中，要經(jīng)常對機、班長進行技術(shù)培訓和考核，才能使生產(chǎn)穩(wěn)妥順利進行。

對總結(jié)出來的、成熟的、成功的技術(shù)措施和規(guī)程，要形成文字，作為規(guī)范，以利于機、班長等生產(chǎn)施工者操作執(zhí)行，使生產(chǎn)順利運行。

［1］趙爾信，蔡家品，賈美玲，等.淺談國內(nèi)外金剛石鉆頭的發(fā)展趨勢——高效、低耗［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2010，37(10):70 －73，81.

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Problems in Diamond Drilling in“Slipping”Formation of a Gold Mine and the Countermeasures

DAI Wan-qing，LU Shou-qing，LI Chang-mei，HAN Ming-yao(No.1 Geological Exploration Institute，Henan Provincial Bureau of Geo-exploration and Mineral Development，Nanyang Henan 473000，China)

By the drilling construction in“slipping”formation of Laowan gold mine，the paper introduced the experimental production and laboratory test on diamond bit optimizing selection，summed up the drilling problems encountered in“slipping”formation and the corresponding technical measures.

diamond drilling;“slipping”formation;impregnated diamond bit;bit optimizing selection

P634.5+3

A

1672－7428(2011)07－0032－04

2011－01－31

代萬慶(1971－)，男(漢族)，河南人，河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)勘查院工程師，探礦工程專業(yè)，從事鉆掘工程、土木工程等技術(shù)工作，河南省南陽市文化路218號，Wealth769@gmail.com。